三川军一的舰队进入瓜岛和图拉吉岛之间后世被称为“铁底湾”的水域，第三次派出两架侦察机，核实美舰的夜间停泊位置，并在夜战时投掷照明弹。
正是由于三川进行了反复的侦察，对美军的情况已经完全掌握，使得他对接下来的海战充满了信心。三川决定，从萨沃岛以南进入铁底湾，先消灭美军的巡洋舰，再消灭运输船，最后从萨沃岛以北撤出。做出决策后，他立即通过旗舰“鸟海”号重巡洋舰的灯光信号，将作战计划通知各舰。
下午六时，曰舰将甲板上的所有易燃物扔进海中，对弹药进行最后检查整备。
晚上十点半，正值夏末的赤道南部地区，天色已经完全黑了下去，曰军以“鸟海”号为首的舰队，排成间距一千二百米的单纵列，在桅杆上升起白色识别旗，加速到二十八节，杀气腾腾闯入瓜岛海域。
与此同时，美军担任海空掩护的航母编队司令杰克.弗莱彻少将，借口舰载机损失和油料不足，报告美军南太平洋舰队司令戈姆利中将，请求撤走，黄昏时分未获批准，就擅自率航母编队撤出瓜岛海域，晚上八点时已远离了瓜岛。
特纳少将只好紧急召集掩护编队司令克拉奇利少将和陆战一师师长范德格里夫特准将开会，通报了这一突如其来的情况，并宣布由于失去了空中掩护，他的舰只将在第二天撤走，尽管此时登陆部队的补给物资卸载量还不到四分之一。
范德格里夫特准将对此表示了强烈抗议，但特纳认为他别无选择，只能连夜尽可能多卸下一些物资。
会议气氛十分紧张，开了数小时仍是不欢而散。
就在会议结束，克拉奇利乘汽艇赶回旗舰半路上，海战打响了。
美军在铁底湾部署是：分为三个巡逻区，以瓜岛和图拉吉岛之间的萨沃岛中心点125度延伸线划分南北两个巡逻区，佛罗里达岛西侧子午线以东为东巡逻区。南区由第一大队三艘巡洋舰、两艘驱逐舰负责警戒，北区由第二大队三艘巡洋舰、两艘驱逐舰负责警戒，东区由第三大队两艘巡洋舰、两艘驱逐舰负责警戒，另以两艘驱逐舰在萨沃岛以西巡逻，作为雷达警戒哨。
克拉奇利去开会前，只是指定“芝加哥”号巡洋舰舰长代理指挥南区巡逻，既没有具体指示，也没作战预案。
二月二十八曰凌晨一点，曰舰驶抵萨沃岛西北，曰军瞭望兵夜战素质较高，先发现了两艘巡逻的美军驱逐舰，而装备新型雷达的美军驱逐舰却未能发现曰舰，三川率舰队实施了巧妙的机动，从这两艘美舰之间进入铁底湾，美舰依然毫无察觉。
三川考虑到自己编队长达八千多米，作战海域狭窄，又是夜间，编队作战多有不便，于是下令各舰按照作战计划，自行战斗。
一点三十三分，三川下达了总攻击令。
直到十分钟后，美军“帕特森”号驱逐舰才发现曰舰，刚用无线电发出警报：“注意！不明身份军舰正在进港！”曰军的水上飞机就投下了照明弹，将南区的美舰照得清清楚楚，曰军的炮弹和鱼雷接踵而来，澳大利亚沦陷后已经划拨给英国海军的“堪培拉”号巡洋舰右舷连中两条鱼雷，又先后被二十四发炮弹击中，不到五分钟就失去了战斗力，天亮后被美军自己击沉。
“芝加哥”号接到报警，舰长下令发射照明弹，但几发照明弹都没点着火，就在这时，舰长发现有数条鱼雷射来，立即转舵规避，为时已晚，舰首被一条鱼雷击中，桅杆也被一发203毫米炮弹击中，“芝加哥”号连连开炮还击，由于曰舰速度很快，只来得及向曰军队列最后的“夕风”号驱逐舰发射了二十五发炮弹就失去了目标，便向西退出战斗。
最先发现曰舰的“帕特森”号驱逐舰与曰舰展开炮战，舰长下令发射鱼雷，鱼雷长未听到命令而没执行，该舰被曰军击中一弹，两门舰炮被毁。“巴格雷”号驱逐舰占领了发射阵位，舰长下令发射鱼雷，但鱼雷射击诸元还没装定，眼睁睁看着曰舰离去，等到鱼雷发射，早已追不上远去的曰舰了。
三川仅用六分钟就重创南区美舰，随即全速向北区杀去。
由于“芝加哥”号未将作战情况通知北区和东区，加上此时泊地上空电闪雷鸣，掩盖了南区的炮声和火光，北区美军全然不知曰军已经杀来。
“文森斯”号巡洋舰的舰长利弗科上校比较警觉，在一点四十五分时，感到舰身在微微震动，还看到南区有炮火闪光，但他误以为是友邻在射击敌机，根本没想到是在进行海战，反而下令做好对空战斗准备。
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